較破碎巖體中樁基豎向承載力分析與探討

陳 筠，王鵬程，，季永新，張斌斌

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州中建建筑科研設(shè)計院有限公司，貴陽 550006)

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較破碎巖體中樁基豎向承載力分析與探討

陳 筠1，王鵬程1，2，季永新2，張斌斌2

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州中建建筑科研設(shè)計院有限公司，貴陽 550006)

較破碎巖體中樁基設(shè)計時往往被視為端承樁，不計樁側(cè)阻力，使得樁基承載力未能得到充分利用，因此，需對其進(jìn)行更深入的研究。以貴州某地區(qū)嵌巖樁為研究對象，地基持力層巖體為較破碎巖體，通過單樁豎向抗壓靜載荷試驗，分析較破碎巖體嵌巖樁豎向承載力，探討較破碎巖體中樁基的承載特性。研究結(jié)果表明：較破碎巖體嵌巖樁嵌巖段樁側(cè)摩阻力發(fā)揮較好，且在同一巖性中因成分不同其值各有差異。根據(jù)實測結(jié)果，結(jié)合經(jīng)驗參數(shù)計算，樁基豎向承載力實測值為計算值的4.2～5.5倍。由此可見，較破碎巖體中嵌巖樁的側(cè)摩阻力十分可觀，若按端承樁設(shè)計，會創(chuàng)成工程成本增加。成果可為較破碎巖體中樁基設(shè)計提供參考。

較破碎巖體;嵌巖樁;靜載試驗;單樁豎向承載力；樁側(cè)摩阻力

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94—2008)[1]要求，嵌巖樁設(shè)計時，只適用于持力層為完整、較完整基巖。貴州巖溶發(fā)育、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，導(dǎo)致巖體往往呈較破碎-破碎狀態(tài)，很多建筑物地基持力層巖體都為較破碎巖體。過去對于較破碎巖體中的嵌巖樁承載力計算，往往視為端承樁，不考慮樁側(cè)摩阻力，使得樁基承載力未能得到充分利用，因此，需對較破碎巖體中樁基承載力作進(jìn)一步補(bǔ)充與探討[2-7]。

1 較破碎巖體中樁基承載力的確定

1.1 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)[8](以下簡稱地基規(guī)范)規(guī)定對于完整或較完整基巖的嵌巖樁按照端承樁設(shè)計，其計算承載力為。

(1)

式中：Ra為嵌巖單樁豎向承載力特征值；qpa為樁端巖石地基承載力特征值；Ap為樁底端橫截面面積。

地基規(guī)范給出的計算方法僅考慮基巖的端承作用，未考慮樁側(cè)巖層的承載能力，目前貴州地區(qū)大多采用此計算方法，若嵌巖較深，其嵌巖段側(cè)摩阻力未能得到充分利用。

1.2 《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)(以下簡稱樁基規(guī)范)規(guī)定樁端置于完整、較完整基巖的嵌巖樁單樁豎向極限承載力，由樁周土總極限側(cè)阻力和嵌巖段總極限阻力組成。當(dāng)根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度確定單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時，可按式(2)計算，即

(2)

式中：Quk為單樁豎向承載力極限標(biāo)準(zhǔn)值；Qsk，Qrk分別為土的總極限側(cè)阻力、嵌巖段總極限阻力；u為樁身周長；qsik為樁周第i層土的極限側(cè)阻力；li為樁周第i層土的厚度；frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)； ζr為嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)；Ap為樁端面積。

樁基規(guī)范法不僅考慮了樁側(cè)土層、嵌巖段巖層及樁端基巖三者共同承載荷載的作用，并且建立了嵌巖段側(cè)阻及端阻修正系數(shù)與嵌巖深徑比的關(guān)系，但是，其針對的基巖完整程度是完整和較完整，對較破碎、破碎的巖石，沒有清晰的說明，若按非嵌巖樁經(jīng)驗參數(shù)計算，則計算值明顯偏小。

另外一種方法是靜載試驗，當(dāng)樁身埋有應(yīng)力應(yīng)變測量元件時，還可以獲得各巖土層樁側(cè)阻力、樁端阻力等資料，實測樁基豎向承載力[9]。它是最接近豎向抗壓實際工作條件的試驗方法。

2 工程實例

2.1 工程概況

貴州某高層建筑主體為剪力墻結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。該區(qū)域巖土構(gòu)成從上到下分別為素填土和強(qiáng)風(fēng)化泥巖，地基持力層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，巖體完整性指數(shù)為0.41，屬于較破碎巖體范圍內(nèi)[10]。

2.2 試驗方法

硝普鈉具有舒張血管的作用,提高血管的供血量,解決心肌缺血的問題,在治療心力衰竭中具有顯著的作用效果,而且當(dāng)其濃度超過超用量100倍時才會抑制其他人體器官的功能,因此其用藥安全性較高。酚妥拉明具有擴(kuò)張動靜脈血管、降低血管外周阻力的作用,能夠促進(jìn)血液循環(huán),提高心率以及心臟排血量,在抗心衰上具有一定的作用,這兩種藥物在治療心力衰竭疾病時作用原理存在較大差異,但其臨床應(yīng)用效果較好。

試驗前在樁身設(shè)若干個斷面，以測量樁身在各級荷載下各斷面的軸力。以樁頂面高程計算起，在不同巖土(性)界面處，標(biāo)定斷面間距處埋設(shè)的應(yīng)力測試元件，每斷面3個，由傳感線引出孔外，如圖1。

圖1 應(yīng)變計埋設(shè)現(xiàn)場Fig.1 Photos of laying strainometers

試樁數(shù)量共3根，其中：SZ1巖土構(gòu)成為泥巖夾硅質(zhì)；SZ2巖土構(gòu)成為泥巖；SZ3巖土構(gòu)成為泥巖夾頁巖。樁徑均為800 mm，嵌巖深度≥14 m，嵌巖深徑比≥17.5，試樁資料如表1。

表1 試樁巖土構(gòu)成參數(shù)

本試驗采用錨樁橫梁反力裝置進(jìn)行載荷試驗，使用預(yù)先設(shè)置的4根錨樁來提供反力，試驗采用慢速維持荷載法，逐級加載，每級加載后觀測沉降量，達(dá)到相對穩(wěn)定后再加下一級荷載?，F(xiàn)場試驗如圖2。試驗時，在地面上進(jìn)行油泵加壓，隨著壓力增加，樁身發(fā)生位移，促使樁側(cè)摩阻力及樁端阻力發(fā)揮作用。

圖2 現(xiàn)場錨樁反力梁靜載試驗

2.3 試驗結(jié)果

采用慢速維持荷載法加載，試樁結(jié)果見表2，試樁荷載-沉降(Q-s)曲線均呈緩變型，3根單樁豎向承載力特征值(s=40 mm)分別為7 500，7 500，6 000 kN，如圖3。

表2 試樁結(jié)果

圖4 試樁軸力分布Fig.4 Distribution of pile’s shaft force

從圖3可看出3根試樁曲線為緩變型，當(dāng)荷載較小時，Q-s曲線為線性關(guān)系，荷載逐漸增大，沉降增速隨之增大，曲線變?yōu)榉蔷€性。

3 樁的承載特性分析

3.1 樁身軸力

從圖4可以看出，樁身荷載(軸向力)均隨深度遞減，在樁身沉降過程中，樁巖產(chǎn)生相對位移，隨之產(chǎn)生摩阻力，荷載沿樁身傳遞時不斷克服摩阻力，促使樁身軸力減小。由SZ2軸力分布曲線還可得知，在樁身12 m以下軸力很小，說明并不是嵌巖深度越大而承載力越大，合理設(shè)計嵌巖樁嵌巖深度可減少工程預(yù)算成本。

3.2 樁側(cè)摩阻力和樁端阻力

每級荷載作用下，實測的試樁樁側(cè)摩阻力和樁端阻力如圖5，通過對不同斷面的側(cè)摩阻力計算，隨著位移的增大，側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮。由圖5(a)可看出，3根試樁嵌入巖層均為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，但泥巖成分不同表現(xiàn)出樁側(cè)摩阻力有差異，分別為398.4，512，281.3 kPa，SZ1含硅質(zhì)，SZ3夾頁巖，其樁側(cè)摩阻力較小?？偟膩碚f，巖性越純，樁側(cè)摩阻力越高。

由圖5(b)看出，終止加載后SZ1(5 392 kPa)樁端阻力仍呈增長趨勢，SZ2和SZ3基本穩(wěn)定，分別為1 900，947 kPa，SZ2和SZ3比SZ1明顯偏小的原因是樁端阻力基本沒有發(fā)揮，承載力主要由樁側(cè)摩阻力提供。

圖5 樁側(cè)摩阻力和樁端阻力與位移的關(guān)系曲線Fig.5 Relations of side friction of pile and resistance of pile tip vs. displacement

3.3 實測與計算分析

泥巖單軸抗壓強(qiáng)度值為3 MPa，根據(jù)地基規(guī)范，較破碎巖體折減系數(shù)為0.1～0.2，取0.15，則巖石地基承載力為450 kPa。SZ1,SZ2,SZ3樁徑均為800 mm，按式(1)端承樁計算,則單樁豎向承載力特征值均為226 kN，3根樁的實測單樁豎向承載力特征值分別為7 500，7 500，6 000 kN，是其33.2，33.2，26.5倍。根據(jù)樁基規(guī)范，取經(jīng)驗參數(shù)并按式(2)嵌巖樁計算，結(jié)果如表3。嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù)取1.7，可看出3根試樁土層側(cè)摩阻力都相對較小，實測單樁豎向承載力特征值分別是計算值的5.5，5.1，4.2倍。規(guī)范把較破碎巖體嵌巖樁樁側(cè)摩阻力作為安全儲備，在樁基設(shè)計時常通過增加樁徑、樁長等方式，達(dá)到設(shè)計承載力要求，可見忽略這部分承載力會提高工程的安全儲備能力，但也會使得工程成本增加。

表3 嵌巖樁承載力實測與計算結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 該區(qū)嵌巖樁荷載-位移曲線主要呈緩變型，沉降主要由樁身壓縮控制。因此，對于嵌巖樁，由于巖體的側(cè)阻和端阻很高，不易產(chǎn)生破壞，所以對樁身混凝土強(qiáng)度等級及其配筋率適當(dāng)提高，有利于發(fā)揮基巖作用。

(2) 嵌巖樁入巖較深時，隨著荷載增加，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮較好，荷載沿樁身傳遞時不斷克服摩阻力，致使樁身軸力較小，且同一巖性成分不同，樁側(cè)摩阻力也不同。同時，合理設(shè)計嵌巖樁嵌巖深度可減少工程成本。

(3) 實測結(jié)果表明，由于該區(qū)樁基入巖較深，使得樁側(cè)摩阻力不能忽略，實測單樁豎向承載力特征值是目前規(guī)范計算方法的4.2～5.5倍，且實測時取值保守，由此可見該區(qū)嵌巖樁側(cè)摩阻力十分可觀，若按端承樁設(shè)計，會造成工程成本增加。

[1] JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2] 劉樹亞, 劉祖德. 嵌巖樁理論研究和設(shè)計中的幾個問題[J].巖土力學(xué), 1999, 20(4): 86-92.

[3] 劉 陽,劉 陽,李建方. 泵站單樁基礎(chǔ)水平承載特性數(shù)值模擬分析[J]. 長江科學(xué)院院報, 2015, 32(4): 92-95.

[4] 董金榮.嵌巖樁承載性狀分析[J].工程勘察,1995,(3)：3-18.

[5] 董 平,秦 然,陳 乾,等.大直徑人工挖孔嵌巖樁的承載性狀[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2003,22(12)：2099-2103.

[6] 程 曄,龔維明,薛國亞.南京長江第三大橋軟巖樁基承載性能試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2005,38(12)：94-98.

[7] 劉 濤，彭華中，王 勇，等.樁-土接觸面靜動力特性研究進(jìn)展[J].長江科學(xué)院院報, 2013, 30(12): 74-81.

[8] GB50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[9] JGJ106—2014，建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[10]GB/T50218—2014，工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計劃出版社，2014.

(編輯：姜小蘭)

Analysis and Discussion on Vertical Bearing Capacity ofSingle Pile in Broken Rock Foundation

CHEN Jun1，WANG Peng-cheng1,2，JI Yong-xin2，ZHANG Bin-bin2

(1.College of Resources and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China； 2.Guizhou CSCEC Architectural Scientific and Research Design Co. Ltd., Guiyang 550006, China)

Pile socketed in broken rock is often regarded as end bearing pile with no regard to the side frictional resistance，so that the bearing capacity of pile foundation is not fully utilized. In this research, the vertical bearing capacity of socketed pile in broken rock is analyzed, and the load-bearing performance of pile foundation in broken rock is discussed based on vertical static load test on single pile. The socketed pile of broken foundation rock of a project in Guizhou province is taken as an engineering background. Results show that the side friction of pile segment socketed in rock plays a good role in load-bearing, and the value of side friction varies with different pile components in the same lithology. According to the test results and parameter calculation, the measured vertical bearing capacity of pile foundation is 4.2-5.5 times as high as the calculated value. As we conclude that the side friction of socketed pile in broken rock is remarkable, if it is designed as end-bearing pile, the engineering cost will increase.

fractured rock mass; socket pile; static load test; vertical bearing capacity of single pile; side friction of pile

2015-11-23;

2016-01-01

貴州省科技廳社發(fā)攻關(guān)項目(黔科合SY字[2015]3055);中建四局科技研發(fā)課題資助項目(CSCEC4B-2015-KT-03)

陳 筠(1970-)，女，貴州貴陽人，副教授，碩士，主要從事地質(zhì)工程和巖土工程教學(xué)、科研方面的工作，(電話)0851-83627875(電子信箱)409272271@qq.com。

王鵬程(1993-)，男，貴州畢節(jié)人，助理工程師，碩士，研究方向為巖土體工程性質(zhì)及其應(yīng)用，(電話)15329505284(電子信箱)123372283@qq.com。

10.11988/ckyyb.20150995

2016,33(10):98-101

TU473.1

A

1001-5485(2016)10-0098-04